基于CAN總線分布式控制系統(tǒng)智能節(jié)點的設(shè)計

前言

現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。CAN(Controller AreaNetwork)屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之目前許多RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：

首先，CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決于報文標(biāo)識符)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且 CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差;

其次，CAN總線通過CAN控制器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。

而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS- 485所無法比擬的。另外，與其它現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。這些也是目前 CAN總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，具有強(qiáng)勁的市場競爭力的重要原因。

硬件電路設(shè)計

CAN遵循ISO的標(biāo)準(zhǔn)模型，分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。在工程上，這兩層通常由CAN控制器和收發(fā)器實現(xiàn)的。當(dāng)前，市面上有兩種CAN總線器件可供選擇：一種是帶有片上CAN的微控制器，如P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376、PowerPC555等，使用這種集成器件方便用戶制作印制板，電路圖也更緊湊;另外一種是獨立的CAN控制器，如Philips SJA1000、Intel公司82526以及MCP2510(具有SPI接口，方便MCU連接)等， 使用獨立的CAN控制器的潛在優(yōu)勢是，系統(tǒng)開發(fā)人員可以根據(jù)所需從眾多種類的單片機(jī)中選擇最理想的系統(tǒng)設(shè)計方案。

節(jié)點微控制器選用單片機(jī)80C196KC，CAN接口由獨立控制器SJA1000和CAN控制器接口芯片82C250組成。SJA1000在軟件上和引腳上都是與它的前款PCA82C200獨立控制器兼容的，并增加了許多新功能：標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且這兩種幀格作為式都具有單/雙接收過濾器;64字節(jié)的接收FIFO;可讀寫訪問的錯誤計數(shù)器和錯誤限制報警以及只聽方式等等。

SJA1000有兩種工作模式：Basic CAN模式和PeliCAN模式，其中PeliCAN模式全面支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000作為微控制器的片外擴(kuò)展芯片，其片選引腳CS接在微控制器的地址譯碼器上，從而決定了CAN控制器各寄存器的地址。SJA1000通過CAN控制器接口芯片82C250連接在物理總線上。82C250器件提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接受能力，完全和“ISO11898”標(biāo)準(zhǔn)兼容。其引腳8允許選擇三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機(jī)。在低速和總線長度較短時，一般采用斜率控制方式，限制上升和下降斜率，降低射頻干擾，斜率可通過由引腳8至地連接的電阻進(jìn)行控制。斜率正比于引腳8 上的電流輸出。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口82C250之間加接6N137光電隔離芯片，并采用DC- DC變換器隔離電源。通信信號傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點時會發(fā)生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端接有終端電阻R1、R2，以消除反射信號，其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。

軟件設(shè)計

CAN總線節(jié)點要有效、實時地完成通信任務(wù)，軟件的設(shè)計是關(guān)鍵，也是難點。它主要包括節(jié)點初始化程序、報文發(fā)送程序、報文接收程序 以及CAN總線出錯處理程序等等。CAN控制器芯片SJA1000的內(nèi)部寄存器是以作為微控制器的片外寄存器存在并作用的。微控制器和SJA1000之 間狀態(tài)、控制和命令的交換都是通過在復(fù)位模式或工作模式下對這些寄存器的讀寫來完成的。在初始化CAN內(nèi)部寄存器時注意使得各節(jié)點的位 速率必須一致，而且接、發(fā)雙方必須同步。報文的接收主要有兩種方式：中斷和查詢接收方式。

為提高通信的實時性，文中采用中斷接收方式，而且這樣也可保證接收緩存器不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。SJA1000的Basic CAN工作模式是與其前一款PCA82C200獨立控制器相兼容的模式， 而PeliCAN工作模式支持CAN協(xié)議中的更多功能，它的程序設(shè)計也與之有所不同。下面給出SJA1000工作在模PeliCAN式下的節(jié)點初始化、報文發(fā)送、報文接收的196匯編源程序。

INITIALIZE： 初始化子程序

LDB AL, #09H; 初始化模式寄存器進(jìn)入復(fù)位模式

STB AL, MODE; 選擇單濾波方式

LDB AL, #88H; 時鐘分頻器

STB AL, CDR; 選Peli CAN模式

LDB AL, #00H

STB AL, ACR0; 初始化接收代碼寄存器

LDB AL, #60H

STB AL, ACR1

LDB AL, #00H

STB AL, AMR0; 初始化接屏蔽寄存器

LDB AL, #3FH; 只接收標(biāo)識符為2，3的報文

STB AL, AMR1

LDB AL, #8FH

STB AL, IER; 中斷使能寄存器

LDB AL, #01H; 總線定時寄存器0、1的設(shè)置

STB AL, BTR0;

LDB AL, #1CH; 在16MHz晶振情況下

STB AL, BTR1; 波特率設(shè)置為250

LDB AL, #0AAH

STB AL, OCR; 輸出控制器寄存器設(shè)置

LDB AL, #0H; 接收緩存器起始地址設(shè)為0

STB AL, RBSA;

LDB AL, #01H;

ORB AL, MODE;

STB AL, MODE; 返回工作模式

RET TRANSMIT：; 發(fā)送子程序

LDB AL, SR

SRCVE: JBS AL,4, SRCVE;正接收?